聚乙烯醇膜的阻醇及导电性能研究(Ⅰ)热处理聚乙烯醇膜.pdf

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1、第19卷第2期高分子材料科学与工程Vo1.19No.22003年3月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGMar.2003聚乙烯醇膜的阻醇及导电性能研究()热处理聚乙烯醇膜吴洪王宇新王世昌(天津大学化工学院天津300072)摘要:直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMFC)中甲醇的穿透问题是阻碍其发展的瓶颈O为提高膜的阻醇性能采用在渗透蒸发领域广泛使用且具有良好分离效果的聚乙烯醇(PVA)为原料制备了热处理PVA膜对其阻醇及质子导电能力进行了研究OPVA膜的阻醇效果较目前在DMFC中广泛使用的Nafiof全氟磺酸膜有明显提高但其自身

2、不具有质子导电能力需外加电解质溶液以提高其电导率O关键词:聚乙烯醇;阻醇性能;质子导电膜;直接甲醇燃料电池中图分类号:O631.2+3文献标识码:A文章编号:1000-7555(2003)02-0172-04直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMFC)以条件对膜性能的影响考察了此类膜用于DM-燃料毒性小~可再生~储运方便等优点日益受到FC的可能性O本文介绍热处理PVA膜的性人们的关注[12]能OO作为电解质的质子交换膜是DMFC系统的关键它的性能直接关系到电池的性能O目前DMFC几乎都是在沿用~1实验部分2/O21.1热处理交联PVA膜的制备(air)质子交换膜燃料电

3、池中使用的Nafiof系列全氟磺酸膜[3]PVA是一种含有大量强亲水性基团(羟但这类膜阻醇性能太差O例如基)的水溶性聚合物并具有良好的成膜性但Nafiof117膜用于DMFC时即使进料甲醇浓要保证其在水中具有一定的稳定性和强度需度低到1mo1/L也有近40%的醇穿过膜透到对膜进行交联处理O我们采用了热处理交联和阴极造成电池性能下降和燃料浪费O研究人员就此问题提出了若干改进措施[4~8]戊二醛交联两种方法本文介绍热处理交联法OO开发适用将PVA固体(平均聚合度1750天津化学于DMFC的新型聚合物膜是解决问题的根本试剂三厂)溶于去离子水沸水浴中加热溶解方法O从膜分

4、离角度看待阻醇质子导电膜即将全部溶解后降至室温制成10%(质量)PVA其视为优先透过质子的醇-质子分离膜是本研水溶液静置脱泡O将上述PVA水溶液均匀倒究的基本思想阻醇是对目标膜的一个重要性在洁净的玻璃板上用玻璃刮刀刮膜室温干燥能要求也是研究的主要出发点O在有机物-水溶液的膜分离方面人们已进行了大量的研究24h后放入130C烘箱中热处理3h取出自然冷却至室温浸于去离子水中将膜揭下O并积累了丰富的经验特别是渗透蒸发法用于醇-水混合物的分离已取得很大进展[9]膜厚70pmOO本研究工作即从渗透蒸发醇-水分离膜中的优先透水1.2膜电导率的测量膜电导率的测量通常有两个方向

5、:与膜表膜材料出发制备了热交联聚乙烯醇膜通过对面平行和与膜表面垂直简称水平向和垂直向O膜结构和阻醇及导电性能的测试研究了制膜收稿日期:2001-09-25;修订日期:2002-01-07基金项目:国家973重大基础研究项目(G20000264);国家自然科学基金资助项目(29976033)作者简介:吴洪女博士.第2期吴洪等,聚乙烯醇膜的阻醇及导电性能研究(I)热处理聚乙烯醇膜173水平向阻抗测量有两电极法[10]和四电极法[11]O本实验研究的阻醇质子导电膜主要针对燃料电池使用时膜夹在阴J阳两电极之间所以我们更关注的是膜的垂直向电阻O再者据报道由于膜微观结构上可

6、能存在的各向异性将导致水平向电导与垂直向电导存在很大差异[12]O例如Nafion117膜的水平向电导率约为垂直向电导率的4倍O鉴于这两方面我们选择了垂直向两电极法测量膜的电导率O实验中我们分别测试了膜在不同浓度的H溶液(0.01mol/L~2SO41mol/L)中的电导率O测试前膜在相应的H2SO4溶液中浸泡2hO膜电阻由交流低阻表fig.1MeOHpermeabilityofheat-curedPVAmem-braneversusconcentration(YY2510天津无线电六厂产品)测量频率11,Nafion117;2,PVA(heat-cured).

7、kHZ电导率(O)的计算式为,O=l/(RA)2结果与讨论式中,l膜厚用螺旋测微仪(精度0.01为与目前DMFC中普遍采用的Nafion膜进行比较我们测定了Nafion商品膜的阻醇及mm)测量;A膜的有效面积取作下电极上表面面积;R电阻O导电性能ONafion膜的预处理过程为,将1.3甲醇透过系数(P)的测量Nafion117商品膜(Dupout公司出产)在3%我们用甲醇的透过系数P(cm2/S)来表征H2O2水溶液中煮1h以除去膜中的杂质;取出膜的阻醇性能O为此设计了测定甲醇透过率的膜用去离子水反复冲洗后放入0.5mol/L+隔膜扩散池O膜池由IJI两个对称的

8、玻璃半室H2SO4溶液中